电子设计竞赛入门：常见控制电路详解与应用指南

电子设计竞赛入门：常见控制电路详解与应用指南

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CSDN

1.

https://blog.csdn.net/2301_81431262/article/details/145702237

电子设计竞赛是许多工程学子展现才华的舞台，而掌握各种控制电路的设计原理与应用技巧是参赛的基础。本文将带你从基础到进阶，全面了解电子设计竞赛中常见的控制电路类型及其应用，从简单的继电器控制到复杂的微控制器控制，从基础的PWM调制到精密的PID算法，从电机驱动到通信接口控制，为你提供一份详尽的入门指南。

一、继电器控制电路

原理：通过电磁线圈的通断电控制机械触点的开合，实现高低压电路的隔离与切换。

特点：

• 适用于大电流/高电压负载（如电机、加热器）。
• 机械触点存在寿命限制，高频开关场景需谨慎使用。
• 固态继电器（SSR）通过半导体器件替代机械触点，提升响应速度和寿命。

应用：家电温控、照明系统、电源切换。

二、PWM（脉宽调制）控制电路(一般用单片机生成PWM)

原理：通过调节方波信号的占空比，控制输出功率或电压平均值。

设计要点：

• 需搭配MOSFET或IGBT等开关元件。
• 频率选择需平衡效率与噪声（如LED调光常用1-10kHz）。
• 闭环控制时可加入反馈（如电流采样电阻）。

应用：电机调速、LED亮度调节、开关电源稳压。

三、逻辑门控制电路（模拟电路书上有详细介绍，这里就不过多赘述）

原理：基于与门、或门、非门等基础逻辑器件组合实现条件判断。

扩展方案：

• 使用555定时器构建振荡器或延时电路。
• 结合触发器（如D触发器）实现状态存储（如自动门禁控制）。

应用：数字锁、时序控制、安全互锁系统。

四、微控制器（MCU）控制电路

核心优势：

• 高灵活性，支持软件编程实现复杂逻辑（如PID算法）。
• 集成ADC、PWM、通信接口（UART/I2C/SPI），简化外围电路。
• 低功耗设计（如休眠模式）适用于电池供电设备。

设计建议：

• 添加复位电路和看门狗（Watchdog）防止程序跑飞。
• 信号隔离（光耦/磁耦）保护MCU免受高压干扰。

应用：智能家居、机器人、物联网终端。

五、PID控制电路/算法（后面会单独出一篇介绍）

原理：通过比例（P）、积分（I）、微分（D）三环节组合，动态调整系统输出以逼近目标值。

实现方式：

• 模拟电路：运放搭建PID网络，响应快但参数调整复杂。
• 数字电路：MCU或DSP编程实现，支持自适应调参。

应用：恒温系统、无人机姿态控制、工业过程自动化。

六、H桥电机驱动电路/（推荐TB6612电机驱动模块）

结构：由4个开关管（如MOSFET）组成H型拓扑，控制电机正反转及调速。

关键设计：

• 避免上下管直通（需加入死区时间）。
• 集成驱动芯片（如L298N）简化逻辑隔离和电流放大。

应用：机器人关节驱动、电动车、精密仪器。

七、过流/过压保护电路

常见方案：

• 自恢复保险丝（PTC）：温度升高时电阻骤增，故障排除后自动复位。
• 电压监控IC（如TL431）：实时检测输入电压，触发MOSFET关断。
• 比较器+继电器：设定阈值触发保护动作。

应用：电源适配器、电池管理系统、工业设备。

八、通信接口控制电路

一键下载电路可看（附图）：（四大通讯协议第二期）UART串口通讯协议，一篇带你入门（通俗易懂篇）！-CSDN博客

典型协议与电路：

• UART：需电平转换芯片（如MAX232）匹配TTL与RS232标准。
• I2C：上拉电阻确保总线空闲时为高电平。
• CAN总线：加终端电阻（120Ω）抑制信号反射。

应用：传感器网络、车载电子、多设备协同。

补充内容 ：

一、为什么需要负压？

1. 功能需求：

• 运放双电源供电（如±12V）以提高动态范围。
• LCD屏幕驱动、光电二极管反向偏置。
• RS-232通信接口电平转换（如+3V至±12V）。

2. 系统简化：

• 避免额外负压电源，降低设备复杂度。

二、负压产生电路的常见类型

1. 电荷泵（Charge Pump）电路

原理：

• 利用电容储能与开关切换实现电压反转。
• 典型拓扑：两相切换（充电→翻转），如ICL7660。

特点：

• 无需电感，体积小，成本低。
• 输出电流较小（通常<100mA），效率约80-90%。
• 开关噪声较大，需滤波处理。

设计要点：

• 选择低ESR陶瓷电容（如X5R/X7R）。
• 并联LC滤波器抑制高频噪声。
• 多级级联可提升负压绝对值（如-2Vin）。

应用：低功耗运放供电、EEPROM编程电压。

2. 反激式（Flyback）隔离电路

原理：

• 基于变压器储能，通过次级绕组相位反转输出负压。
• 需搭配PWM控制器（如UC3843）和MOSFET。

特点：

• 支持高功率输出（>1A），效率85%以上。
• 可实现电气隔离，安全性高。
• 设计复杂度高，需定制变压器。

设计要点：

• 变压器匝比决定输出电压（如Np:Ns =1:1时，Vout≈-Vin）。
• 添加RCD钳位电路吸收漏感尖峰。
• 输出端加肖特基二极管防止反向电流。

应用：工业设备负压电源、医疗仪器隔离供电。

3. Buck-Boost逆变电路

原理：

• 非隔离拓扑，通过电感储能和开关管时序控制反转电压极性。
• 输出电压公式：|Vout| = (D/(1-D))×Vin（D为占空比）。

特点：

• 宽输入电压范围，支持升压/降压。
• 需注意开关管耐压（承受Vin + |Vout|）。
• 电感选型影响效率与纹波。

设计要点：

• 选择同步整流方案（如TPS63710）减少损耗。
• 输入/输出端添加大容量电容降低纹波。
• 避免占空比接近100%导致失控。

应用：便携设备负压生成、电池供电系统。

4. 线性稳压器衍生方案

附可调电路：

原理：

• 使用正压LDO配合电阻分压“虚拟地”，将系统参考点偏移。
• 例如：将GND设为-5V，原正5V输出变为0V，原GND变为-5V。

特点：

• 电路简单，无开关噪声。
• 效率低（η≈Vout/(Vin + |Vout|)），仅适用于小电流场景。

应用：低噪声运放供电、精密测量电路。

三、设计负压电路的关键问题

1. 噪声抑制

• 电荷泵：增加π型滤波器（电容+磁珠+电容）。
• 开关电路：优化PCB布局（缩短开关回路，使用地平面）。

2. 负载能力

• 电荷泵适合<100mA，Buck-Boost可达数安培，反激式适合中高功率。

3. 成本与体积

• 电荷泵方案成本最低，反激式需变压器，体积较大。

4. 保护功能

• 过流保护：串联保险丝或电子限流电路。
• 反向电压保护：防止输入反接损坏电路。

四、典型芯片选型指南

五、应用实例：-5V/100mA电荷泵电路设计

1. 选型：使用ICL7660，输入5V，输出-5V。
2. 电路图：

• C1、C2：10μF陶瓷电容（低ESR）。
• 输出端添加10μF+0.1μF并联滤波。

3. 实测数据：

• 负载50mA时，输出纹波<50mV。
• 效率约85%。

附录：如何选择合适的控制电路？

1. 明确需求：负载类型（阻性/感性）、功率等级、控制精度。
2. 评估成本与复杂度：继电器成本低但寿命有限，MCU方案灵活但需编程能力。
3. 可靠性优先：工业场景需冗余设计，消费电子注重体积与功耗。

温馨提示：动手操作比看更加重要哦

本文内容来自CSDN博客，作者是一位知识分享者，主要介绍了电子设计竞赛中常见的控制电路类型及其应用。文章内容详尽且专业，对于电子设计竞赛的参与者以及对电子电路感兴趣的读者具有较高的参考价值。